量子引力代替弦理論的方法是什么？
圖片源自：電子出版物委員會(當代物理教育項目），國家科學基金會/制程驗證/勞倫斯伯克利國家實驗室.
我們熟知并熱愛的宇宙，以愛因斯坦的廣義相對論作為我們的引力理論和其他三種力的量子場理論，有一個我們不常提及的問題：它是不完整的。就愛因斯坦的理論本身來說是很好的，它描述了物質和能量如何與空間和時間的曲率相聯系。 量子場理論本身也是很好的，它描述了粒子如何相互作用和體驗力。量子場理論的計算通常在平直空間完成，那里的時空不會發生彎曲。我們也可以在愛因斯坦引力理論所描述的彎曲空間內進行（雖然那樣做難度會增大，但并不是不可能的），也就是所謂的半經典引力。這就是我們如何計算霍金輻射和黑洞衰變。
圖片源自:美國國家航空航天局
但即使是半經典的處理辦法也只在黑洞視界的附近和外部有效，而不是在引力真正最強的地方：理論上被認為處于中心的奇點，或是數學上荒謬的預測。我們有許多物理實例需要一個量子引力理論，由于在極小短量子距離上，所有這些都與最小尺度上的強引力物理有關。這里有重要的問題，比如：
- 當一個電子穿過雙縫時，它的引力場會發生什么變化呢？
- 如果一個黑洞的最終狀態是熱輻射，那么形成黑洞的粒子會有什么變化呢？
- 在奇點附近的引力場/力會產生什么行為呢？
如果沒有量子引力理論，一切都沒有定論。
為了解釋在引力源或質量存在的情況下，短距離內會發生什么，我們需要一個有關量子離散，基于粒子的引力理論。已知的量子力由被稱為玻色子的粒子，或者具有整數自旋的粒子介導。光子介導電磁力，W和Z玻色子介導弱力，而膠子介導強力。所有這些類型的粒子自旋都是1，大質量的粒子（如W和Z玻色子）的自旋可以是-1,0或者1；對于無質量的粒子（如膠子和光子），她們的自旋只能是-1或者+1。
雖然希格斯玻色子并不介導任何力，但它仍然是一種自旋為0的玻色子。由于我們對引力的了解，廣義相對論是一個張量引力理論，它必須由一個自旋為2的無質量粒子介導，這也就意味著它的自旋值只能是-2或者+2.
這太難以置信了！這意味著我們在建立一個量子引力理論之前，就已經對它有了一定的了解。我們之所以知道這個，是因為無論真正的量子引力理論是什么，當我們與一個大質量的粒子或者物體距離不是很近的時候，它必定符合廣義相對論。就像在100年前，我們知道廣義相對論需要在弱場區還原為牛頓引力。
圖片源自:美國國家航空航天局，一個藝術家關于引力探測器B繞地球軌道測量時空曲率的概念。
最大的問題當然是如何做到?如何以一種正確的(在描述現實時)、一致的的方式(與GR和QFT一致)量化重力，并有希望對可能觀察測量，或以某種方式測試的新現象做出可計算的預測。當然，領先的競爭者是你早已聽說過的弦理論。
弦理論是一個有趣的框架，無論是費米子還是玻色子，他都包含了所有的標注模型場和粒子。它還包含了一個十維的張量-標量引力理論：擁有九個空間維度以及一個時間維度，以及一個標量場參數。如果我們消除其中的六個空間維度（通過一個還沒有完全定義過程，人們稱之為緊致化），并且讓定義標量相互作用的參數（ω）趨近于無窮，我們就可以恢復廣義相對論。
圖片源自：美國航空航天局/戈達德/韋德·西塞爾, 布萊恩·格林關于弦理論的演講。
1.)但是弦理論有很多現象學問題。
其中之一就是它預言了大量的新粒子，包括還沒有被發現的所有超對稱粒子。它聲稱不需要像標準模型那樣的“自由參數”（對于粒子的質量），但它用一個更糟糕的問題代替了這個問題。弦理論指的是“10^500個可能解”，這些解指的是沒有機制來恢復它們的弦場真空期望值；如果你想讓弦理論起作用，你需要放棄動力學，簡單地說，“好吧，它一定是人類選擇的。”弦理論本身就充滿了挫折，缺陷和問題。但最大的問題可能并不是這些數學問題。取而代之的是，這里還有另外四種方法引導我們走向量子引力，這些方法完全獨立于弦理論。
圖片源自： 維基百科用戶Linfoxman，一個量化“空間結構”的圖解。
2.)圈量子引力。
圈量子引力是一個有趣的問題：圈量子引力中心特征之一不是試圖量化粒子，而是空間本身是離散的。想象一下重力的常見比喻：在一張拉緊的床單中心有一顆保齡球。我們知道床單本身是量子化的，而不是連續的結構，因為它是分子組成的，分子是原子組成的，原子是原子核（夸克和膠子）和電子組成的。
空間可能也是這樣的！也許它像一個織物，但也許它是由有限的、量化的實體組成的。但也許它是由“圓環”組成的，也就是這個理論的由來。把這些圓環編制在一起，就可以得到一個自旋網絡，這代表了引力場中的量子態。在這張圖片里面，不僅僅是物質本身，就連空間本身也是量子化的。從自旋網絡的想法到一種或許現實的引力計算方法，是一個活躍的研究領域，一個見證了2007/8年巨大飛躍的領域，所以這仍然在積極推進中。
圖片來源：維基百科用戶&reasNink，由Wolfram Mathematica 8.0生成
2.)漸進安全重力。
這是我最喜歡的量子引力理論的嘗試。漸進自由是在20世紀70年代發展起來的，用來解釋強相互作用的不尋常性質：在極短的距離內，它是的一個非常弱的力，當帶電粒子之間的距離越來越遠時，它變得越來越強。不像電磁性有一個很小的耦合常數，強力的耦合常數很大。由于量子色動力學一些有趣的屬性，如果你以一個（顏色）中性系統結束，相互作用的強度就會迅速下降。這可以解釋像重子（比如質子和中子）、介子（比如π介子）的物理尺寸等屬性。
另一方面，漸近安全性看起來解決了一個與此相關的基本問題：你不需要小的耦合（或趨向于零的耦合），而只需要耦合在高能極限下是有限的。所有的耦合常數都隨著能量的變化而變化，因此漸進安全的做法是為該常數選擇一個高能固定點(從技術上講，對于重正化組，耦合常數就是從重正化組得到的)，然后在較低的能量下計算出其它一切。
至少，這是個辦法！我們已經明白了在1+1維（一個空間和一個時間）中做到這一點，但在3+1維中還沒有。盡管如此，還是取得了一些進展，其中最引人注目的是克里斯托夫·韋特里奇，他在20世紀90年代發表了兩篇開創性的論文。韋特里奇在六年前利用漸近安全性計算了在大型強子對撞機發現希格斯玻色子之前的質量預測。結果是什么呢？
圖片源自：米哈伊爾·沙波什尼科夫&克里斯托夫·韋特里奇
令人驚奇的是，它所顯示的與大型強子對撞機最終發現的完全符合。如果漸近安全性是正確的，這將是一個令人驚訝的預測。當誤差線被進一步打壓到極點夸克，W玻色子和希格斯玻色子的質量最終確定時，甚至可能不需要任何其他基本粒子（如超對稱性理論粒子）使物理學一直穩定到普朗克尺度。它不僅很有前途，而且像弦理論一樣有很多吸引人的屬性：能成功量化引力，在低能限制下降低到GR，并且是紫外線有限的。另外，它至少在一個方面勝過了弦理論：它不需要添加我們沒有證實過的新粒子或者參數！在所有弦理論的備選方案中，這一個是我最喜歡的。
3.）因果性動力學三角剖分。
這個想法在2000年首次被雷娜特·洛爾發展起來，后被其他人拓展，所以算是一個新角色。由于空間本身是分離的，所以類似高斯線性二次方程，但主要關注的是空間本身如何進化。關于這個想法有一個有趣的性質，那就是時間也必須是離散的。作為一個有趣的特性，它給了我們一個四維時空（甚至不是源于先驗，而是理論給我們的東西），但在能量極高和距離極短的情況下（就像普朗克尺度），它顯示了一個二維結構。它基于一個被稱為單純形的數學結構，這是一個三角形的多維模型。
圖片源自：維基百科單純形頁面截圖
2-單純形是三角形，3-單純形是四面體，依此類推。這個選擇的優點特性之一就是因果性——一個被大多數人視為神圣的概念在因果性動力學三角剖分中得到了明確的保留。（沙濱在這里關于因果性動力學三角剖分有些見解，它可能和漸進安全重力有關。）它也許能夠解釋引力，但不能百分之百確定基本粒子的標準模型是否適合這個框架。只有在計算方面的重大進展，才能使它成為近來研究得相當好的一種替代方法，因此這方面的工作正在進行中，而且還相對年輕。
4.)緊急重力。
最后，我們來看看最具推測性的量子引力可能性。2009年，埃里克·弗爾林德提出引力的熵力假說，在這個模型中，重力不再是一個基本力，而作為一個與熵有關的現象出現的，緊急重力在這時才得以突出。實際上，緊急重力的起源可以追溯到產生物質-反物質不對稱條件的發現者安德烈·薩哈羅夫，他早在1967年就提出了這個概念。
圖片源自：flickr gallery of J. Gabasesteban.
我們確定我們需要一個量子引力理論確保宇宙工作于一個基本水平，但我們不確定的是這個理論是什么樣的，也不知道這五個途徑（包括弦理論）中的任何一個是否會被證明是有效的。弦理論是所有選項中研究得最好的，但是與其他被認真考慮很久的理論相比，圈量子引力是正在崛起的第二。他們說答案總是柳暗花明又一村，出現在你尋找的最后一個地方，這也許能夠激勵你開始認真地尋找新的地方，新的答案。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. forbes- Ethan Siegel-輕舟
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